（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 自动控制仪器仪表总的发展趋势是高性能、数字化、集成化、智能化和网络化。智 能温度控制系统的设计是为了满足市场对成本低、性能稳定、可远程监测、控制现场温 度的需求而做的课题，具有较为广阔的市场前景。 本文介绍智能温度控制系统的开发工作。首先，对船舶自动化、嵌入式系统和智能 控制系统的发展现状、发展趋势以及相应的控制理论作了简单综述；然后，详细介绍了 系统的总体设计、各模块的工作原理和软硬件实现、汇编语言程序以及c 语言程序块设 计。 智能温度控制系统的总体设计是围绕低成本、模块化、可扩展以及寿命长的特点展 开的。在硬件选择方面，选择性价比高的s t c l 2 c 5 4 1 0 a d 单片机、l m 3 5 8 型放大器、 l e d 显示器、采用低压差线性电压稳压器、较高内阻的压力传感器；在软件方面，采用 了功能模块化，为以后的升级或者扩展做准备。同时采用间歇式的工作模式，非采样期 间只有显示器、稳压器等处于活动状态；在保证性能要求的情况下缩短a d 转换的时间 等一系列措施，有效的提高了器件寿命为了降低整个系统的成本，在满足性能要求的 前提下，选择低成本元器件，简化系统设计；采用多点校准技术和线性插值方法，降低 了对传感器的线性的要求，扩大了可选传感器的范围，提高了产品的通用性和可扩展性， 提高了产品的竞争力。 该智能控制系统通用性比较高，可广泛应用于工业现场恶劣环境、楼宇供热、供水 控制，完全脱离人工操作，并可以远程监视、控制，真正实现了智能控制。目前已经在 某实际锅炉系统中试用，控制效果良好，温度、压力稳定，受到用户好评。 关键词；单片机；自动控制；智能系统；温度控制；c 语言程序 陈忠华：基于单片机的数字温度控制系统的设计与实现 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f at e m p e r a t u r e - c o n t r o ls y s t e m b a s e do nt h es i n g l e - c h i p a b s t r a c t n et x e n do ft h ed e v e l o p m e n to fi n s m m a e n t s ，i n c l u d i n gt h et e m p e r a t u r em e a s u r i n g e q u l p m e 咄i sw e l l - p e r f o r m e d , d i g i t i z e d , i n t e g r a t e d , i n t e l l i g e n ta n dn e t w o r k e d 可坞d e s i g no f t h et e m p e r a t u r ec o n h - o ls y s t e mi st om e e tt h ed e m a n do f t h em a r k e t , w h i c ha s k sf o rl o wc o s t , s t a b l ep e r f o r m a n c e r e m o t em o n i t o rc a p a b i l i t y t h ep r o d u c th a sab r o a d e rp r o s p e c to nt h e m a r k e t i nt h i sp a p e r ，t h ed e v e l o p m e n to fa ni n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mi sp r e s e n t e d f i r s t , a s i m p l es u m m a r yo ft h ee m b e d d e ds y s t e m , p r e s e n ts i t u a t i o no fi n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e ma n d t h ed e v e l o p m e n tt e n d e n c ya r eg i v e n , a n dt h e nd e t a i l e di n f o r m a t i o na b o u tt h es y s t e md e s i g n , p r i n c i p l e o fd i f f e r e n tm o d u l e s ，r e a l i z a t i o no ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ea r ep r o v i d e d r e s p e c t i v e l y c o s tc o n t r o l ，m o d u l a f i z a t i o n ，a n de x p a n s i o np o s s i b l eo ft h ei n t e l l i g e n tt e m p e r a t u r e c o n t r o ls y s t e ma r et a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o nf o rt h ed e s i g n t h r o u g hu s i n gd e s i g nt e c h n i q u et h e g o a li sf u l f i l l e di nb o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r e i nt h eh a r d w a r ea s p e c t , t h es t c l 2 c 5 4 1 0 a dm c uw i t hl o w c a p a b i l i t y p r i c er a t i o l m 3 5 8 a m p l i f i e ro fl o wp o w e rc o n s u m p t i o n , l e dm o n i t o r , a n dp r e s s u r es e n s o r 喇t hh i g h e r r e s i s t a n c ea r eu s e dt ob u i l dt h es y s t e m , a n dal o wl i n e a rv o l t a g er e g u l a t o ri sc h o s e nt ol o w e r t h ev o l t a g es u p p l yo f t h ew h o l es y s t e m a sf o rt h es o f t w a r ed e s i g n , p r e p a r i n gf o ru p d a t eo rt h ee x p a n s i o nl a t e r , t h ed e s i g nh a s u s e dt h es u b s e q u e n c i n gf u n c t i o n s , a c c o r d i n gt ot h em o d u l e sr e a l i z a t i o nr e q u e s t e n h a n c i n g t h ec o m p o n e n t sl i f es i m u l t a n e o u s l yi nt h ed e s i g n , t h ei n t e r m i t t e n c e - l i k ew o r k i n gp a t t e r ni s u s e d i nt h en o n - s a m p l i n gp e r i o dt h em o n i t o r , t h em a n o s t a ti so n l ya tt h ea c t i v ec o n d i t i o n , s o i tc a nr e d u c et h et i m eo f a dt r a m f o r m s i no r d e rt or e d u c et h ec o s to f w h o l es y s t e m , l o wc o s td e v i c e sa r es e l e c t e da n dt h es y s t e m s t r u c t u r ei ss i m p l i f i e di nt h ed e s i g nw h i l ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t sa r em e t b yu s i n gt h e m u l t i - s p o tc a l i b r a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h el i n e a ri n t e r p o l a t i o nm e t h o d , r e q u i r e m e mo f l i n e a r i t y o fs e n s o r si sr e d u c e da n ds e l e c t i o nr a n g eo ft h es e n s o r si s e x p a n d e d , s ot h a tv e r s a t i l i t y , e x t e n d i b i l i t ya n dm a r k e tc o m p e t i t i v ep o w e ro f t h ep r o d u c t sa l ee n h a n c e d k e yw o r d s ：s t 0 1 2 0 5 4 1 0 a d ；m c u ；i n t e l l i g e n tt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m ；c - l a n g u a g e i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名；7 陈经宴 日期：! 兰：! ； 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名 i， 一 2 竺：! 年上月j 至生日 大连理工大学硕士学位论文 引言 船舶自动化的发展依赖信息化产晶和技术，随着嵌入式工业控制机的发展，使得自 动化系统的硬件结构的通用性日益增强，系统设计、生产维护、升级等环节都发生着深 刻的变革。变革具体表现在传统分布式( d e s ) 船舶机舱自动控制系统将逐步被现场总 线兼控系统所取代。设备层和管理层通过总线方式相连。设备层主要由单片机、控制器 和传感器等智能化器件( 称为下位机) 构成。下位机的硬件越来越通用化，个性化功能 将由软件来实现。管理层硬件由一般商用计算机c _ k 位机) 构成，以软件为主。借助成 熟的网络系统，上、下位机不局限在船上，上位机可以安置在陆上，通过参数设置、获 取数据、卸载系统软件重新安装等方式，对船舶设备进行远程监控、调试、维护和升级。 对船舶来讲，这种技术变革意义深远，它可极大的提高硬件系统的安全性和适应性，缩 短硬件系统的开发周期，延长产品的生命周期，降低硬件系统的开发和维护成本。另外， 远程维护和远程升级的实现，可利用陆上资源，提高船舶运行的安全性。 船舶自动化系统下位机采用5 l 单片机来设计，完全可以实现在系统编程和系统参数 的设置。加上下位机主板在功能上能满足船舶自动化系统的一般性要求，即具有数据采 集、处理、存储、输出控制信号以及与上位机数据通信等功能。下位机就变成一个通用 性很强的终端设备，适应各种设备和参数的监控，其意义非常重大 本课题以温度控制系统为例来深入研究嵌入式系统。以单片机为核心，实现了对工 业现场( 妞各种船舶货舱、机舱和大型变压、变频器) 的温度实时监测和控制，可自动 控制恶劣环境下的温度、压力等，实现了控制的智能化。本系统采用了p i d 模糊控制技 术，可以使温度保持在要求的一个恒定范围内，使现场的温控实现了智能化，而利用 v b 或其他高级语言实现的界面实现了最优控制、实时监控和远程控制的可能，人机界 面友好，可以通过人机对话方式方便的修改控制参数。 陈忠华：基于单片机的数字温度控制系统的设计与实现 1 概述 1 1 船舶自动化相关技术 船舶自动化作为现代船舶的重要组成部分，包括如图1 1 所示三个方面的内容：导 航自动化、机舱自动化和装载自动化。 图1 1 船舶自动化总体结构图 f i g 1 ic o 而g u r a t i o no f s h i pa u t o m a t i z a t i o n 随着船舶自动化程度不断提高和发展，采用电子元器件、集成电路、微电脑中央处 理单元为核心的电气设备，在船舶自动控制与检测报警系统中得到广泛应用。例如自动 电站、流量遥测、主机及可调桨遥控、带有打印机和显示器的机舱监钡4 报警系统、g p s 与雷达、测深仪、电子海图之间的信息联络等等。这些设备接口的共同特点，是弱信号、 高灵敏、高放大，使船舶控制与操作更便捷，航行更安全。但另一方面，正因为具有上 述特点，各种电磁干扰信号也极易由接口侵入，如处理不当，将会造成设备误动作，从 而可能会发生正常运转的主、辅机突然停车、舵机失控等现象，使船舶航行安全受到威 胁，严重的还会造成设各毁坏和海难事件。 近年来，随着航运事业的蓬勃发展，航运吨位猛增，海难事故里上升趋势，航运安 全性问题己成为i m o ( 国际海事组织) 首位关注的问题。因此可以预期，在未来船舶机舱 自动化技术水平的进一步提高中，对于安全性因素的考虑仍将起着极为重要的作用。 从系统的角度来分析，影响航运安全的因素主要来自于三个方面，一是恶劣海况， 二是人为误操作，三是船舶自身故障。对于恶劣海况，人们采用了卫星气象导航系统， 大连理工大学硕士学位论文 以避免在恶劣海况下的航行：对于人为误操作，人们使用专家辅助操作系统以辅助操作 人员进行各种操作，来降低误操作率；对于船舶自身故障，其来源较复杂，其中一个主 要来源就是船舶机舱产生的故障，它产生的故障极有可能影响船舶运行的安全性，于是 人们就使用了监控技术来专门对船舶机舱各类设备的运行工作状态进行监测与控制。 温度智能控制系统在船舶上的应用较为广泛。例如现代远洋船舶使用的中央冷却系 统、船舶主柴油机缸套冷却水系统等。对主柴油机缸套的合理冷却将减轻主机缸套的磨 损，精确的温度控制会有效地控制柴油机缸套的低温腐蚀和高温腐蚀以及减少热应力， 船舶主机缸套冷却水系统的性能的优劣直接影响到船舶主机的工作性能，要想优化和充 分发挥船舶主机缸套冷却水系统的性能，就需要有良好的冷却水温控系统。目前，主机 缸套冷却水温控系统多采用出口温度控制系统，控制方法是传统的p i d 控制。不管是中 央冷却系统还是主柴油机钢套冷却水系统都是利用舷外的海水泵输送海水来冷却低温 淡水，被冷却的低温淡水再去冷却船舶各种设各。 1 2 嵌入式系统的现状及技术简介 中国作为世界上的造船大国，在船舶结构设计和制造方面，其技术和生产能力与国 外差距已经减小；然而在最具高科技附加值的船舶自动化技术和产品上，国内还无法跟 国外竞争。由此使得，尽管每年我国造船总吨位量很大，但利润偏低要大力发展船舶 自动化技术，必然加大嵌入式系统的研究力度，以适应各种船舶对自动化技术的要求。 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可剪裁，对功能、可靠 性、成本、体积、功耗要求非常严格的专用计算机系统。嵌入式系统广泛应用于国民经 济和国防各个领域，制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航 天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。嵌入式系统是将先进 的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点 就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的新的知识集成系统。 嵌入式系统产业是二十一世纪信息产业新的经济增长点。 嵌入式系统是将计算机硬件和软件结合起来，构成一个专门的计算装置，完成特定 的功能或任务。它是一个大系统或大的电子设备的一部分，工作在一个与外部进行交换 并受到时间约束的环境中，在没有人工干预的情况下进行实时控制。其中，软件实现有 关功能并使其系统具有适应性和灵活性；硬件用于满足性能和安全的需要。 考虑到嵌入式系统软硬件结合的时间限制、性能约束和对外交互的特点，实时应用 通常是一个特殊的过程。它常常被软件体系结构、硬件体系结构，操作系统特性，应用 需求，编程语言的开发和调试环境的变化所驱动。因此，嵌入式系统与通常的计算机应 陈忠华：基于单片机的数字温度控制系统的设计与实现 用有很大的区别。它不但要考虑软件的设计，还要考虑硬件的设计；不但要满足功能需 要，还要满足性能需求，甚至要把性能需求放在第一位。 具体设计包括硬件设计和软件设计。硬件设计主要是根据性能参数要求为各种功能 模块所需要的元器件进行选择和组合，其选择的基本原则就是市场上可以购买到的性价 比最高的通用元器件。必要时，必须分别对各个没有把握的部分进行搭试，功能验证和 性能测试，从模块到系统找到最优化的方案，画出电路原理图。硬件设计的关键一步就 是，利用印制板计算机辅助设计软件对系统的元器件进行布局和布线，接着试印、制板 加工、装配和硬件调试。 工作量最大的部分是软件设计。软件设计贯穿整个系统的设计过程，主要包括任务 分析、资源分配、模块划分、流程设计和细化、编码调试等。软件设计的工作量主要集 中在程序调试，所以软件调试工具就是关键最常用和最有效的工具就是在线仿真器 1 3 本文的主要工作 本文针对单片机总线式温度监测系统若干关键技术展开研究工作，主要集中在以下 几个方面： 分析项且要求，介绍以低成本为核心指导思想的温度控制系统的总体方案设计， 系统的组成和工作原理，阐述多点校准技术和线型插值技术在系统设计中的应用，以及 这些技术的应用对降低成本的作用。 系统的硬件设计，介绍主要硬件的选型及其主要特点，温度传感器p t l 0 0 采样取 值以及信号放大处理，信号调理与a d 转换电路的设计，低压线性稳压器的电路设计， 单片机接口电路的设计以及电路的总体设计等。 模块功能设计及实现，详细介绍在温度监控系统中应用到的各个模块的功能和应 用方法，涉及到各个模块的功能和工作原理，各个控制寄存器的设定，模块之间的关系 和协作方式等。包括基本始终模块的应用，e 2 r o m 存储器x 2 5 0 4 3 4 5 的应用，数码显 示管的应用以及按键等的实现。 系统的总体设计和主要程序模块，程序设计采用汇编语言和c 语言模式，并将低 成本高精度思想融入其中，介绍的程序模块包括：系统初始化程序，程序的主循环框架， 校准程序，l e d 数码显示程序，并给出了程序的设计流程图和部分程序源代码。 总结温度监测系统的设计，介绍了使用现状以及未来的改进和发展方向。 - 4 - 大连理工大学硕士学位论文 2 智能控制理论 2 1 自动控制系统概述 自动控制系统是一个集合体，它通常由被控对象、测量装置、控制器和执行机构等 部件组成。这种系统在完成预定的任务时，可以不需要人的直接参与，由测量装置代替 人的感知机能来观测被控制量或状态的实时变化，由控制器对给定量与被测量进行比 较、综合和信息( 模拟的或数字的) 处理，并给出控制量，最后有执行机构来对被控对 象施加某种设置或调整。这个过程在人工操作系统中，都是由操作人员通过“感觉器官 的观测( 获取信息) 人脑的思维、判断( 存储和处理信息) 手动的调整( 信息的实 施) 来完成的。 经典控制理论和现代控制理论几十年的发展和应用，在空间技术、军事科学和工业 控制等各个领域都获得了较为显著的成效。 2 2p l d 控制原理及特点 1 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为：比例、积分、微分控制，简 称p i d 控制，又称p i d 调节。p i d 控制器问世至今已有近7 0 年历史，它以其结构简单、 稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和 参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系 统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用p i d 控制技术最为方 便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统 参数时，最适合用p m 控制技术。p i d 控制，实际中也有p i 和p d 控制。p i d 控制器就 是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 比例( p ) 控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。 当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差( s t e a d y s t a t ee r r o r ) 。 积分( i ) 控制。 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制 系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差 系统( s y s t e mw i t hs t e a d y - s t a t ee r r o r ) 。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积 分项”积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即 便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差 陈忠华：基于单片机的数字温度控制系统的设计与实现 进一步减小，直到等于零。因此，比例+ 积分口d j 空制器，可以使系统在进入稳态后无稳 态误差。 微分( d ) 控制。 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分( 即误差的变化率) 成正比关 系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存 在有较大惯性组件( 环节) 或有滞后( d e l a y ) 组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落 后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时， 抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的， 比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变 化的趋势，这样，具有比例+ 微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零， 甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比 例+ 微分( p d ) 控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 “( t ) f f i 巧p + 事0 ( ，) 毋+ 易丛等堕】 ( 2 1 ) 1 ，o一 2 实际应用中，可以根据受控对象的特性和控制的性能要求，灵活地采用不同的 控制组合，构成：比例( p ) 控制器 “( f ) = 足。e ( f ) 2 2 ) 比例十积分( p i ) 控制器 “= 巧瞳p ) + 专弘( ，) 毋】 比例十积分十微分( p i d ) 控制器 咖耻( d + 毒( 帆掣 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 其中k p _ 一比例放大系数；t ，积分时问：0 一微分时间。 3 在p i d 的三个参数中，比例控制( p ) 能迅速反映误差，从而减少误差，但比 例控制不能消除稳态误差，k 的加大，会引起系统的不稳定。积分控制( d 的作用是，只 要系统存在误差，积分控制作用就不断的累积，输出控制量以消除误差，因而，只要有 足够的时间，积分控制将能完全消除误差，积分作用太强会使系统超调过大，甚至使系 大连理工大学硕士学位论文 统出现震荡。微分控制( d ) 可以减少超调量，克服震荡，使系统的稳定性提高，同时加 快系统的动态响应速度，减少调整时间，从而改善系统的动态性能。 p i d 控制属于常规的控制技术，在当今社会，随着计算机技术的广泛发展，许多复 杂的控制技术正在研究当中。这些复杂的控制技术有纯滞后控制技术：施密斯( s m i t h ) 预估控制、达林( d a h l i n ) 算法；串级控制技术；前馈一后馈控制技术；解耦控制技术 和模糊控制技术等。实际运行的经验和理论分析都表明，运用这种控制规律对许多工业 过程进行控制时，都能得到满意的效果。不过，用计算机实现p i d 控制，不是简单的把 模拟p i d 控制规律数字化，而是进一步与计算机的逻辑判断功能相结合，使p i d 控制更 加灵活，更能满足生产过程提出的要求。 4 。p d 控制器的参数整定。 p 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定 p d 控制器的比例系数、积分时间和微分时问的大小。p d 控制器参数整定的方法很多， 概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计 算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际 进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中 进行。并且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。 p d 控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种 方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整 定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与 完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行p m 控制器参数的整定步骤如 下：( 1 ) 首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；( 2 ) 仅加入比例控制环节，直到 系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；( 3 ) 在一定的控制度下通过公式计算得到p d 控制器的参数。 2 3p w m 控制技术 2 3 1p w m 控制技术简介 p w m ( p l l l s ew i d l hm 舢f i o n ) 控制脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的 宽度进行调制，来等效地获得所需要波形( 含形状和幅值) 。 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量是 指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近， 仅在高频段略有差异。其效果可用面积等效原理来解释。 陈忠华：基于单片机的数字温度控制系统的设计与实现 c )由 图2 1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 f i g 2 1d i f f e r e n ts h a p eb u ts a m ei m p u l s ep o w e r 面积等效原理： 分别将如图2 1 所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节( r l 电路) 上，如图2 2 a 所示。其输出电流i ( t ) 对不同窄脉冲时的响应波形如图2 2 b 所示。从波形可以看出， 在i ( t ) 的上升段，i ( t ) 的形状略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各 i ( t ) 响应波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应i ( t ) 也是周期往的。 用傅里叶级数分解后将可看出，各i ( t ) 在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不 同。 e ( o 力 口 a b t 图2 2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形 f i g 2 2r e s p o n s ew a w f o r mo f s a m ei m p u l s ep o w e r 用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。正弦半波n 等分，看成n 个相 连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替：等幅、不等宽、中点重合， 面积( 冲量) 相等，宽度按正弦规律变化。如图2 3 所示。 s p w m 波形一脉冲宽度按正弦规律交化而和正弦波等效的p w m 波形。 大连理工大学硕士学位论文 ； 矗一 ； i i 翼匡 i l ； 雪雾l 9应 图2 3 用p w m 波代替正弦半波 埏2 3h a l f s i n ew a v er e p l a c e db yp w mw a v e 要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。 等幅p w m 波和不等幅p w m 波； 由直流电源产生的p w m 波通常是等幅p w m 波，如直流斩波电路及p w m 逆变电 路，p w m 整流电路。输入电源是交流，得到不等幅p w m 波，如斩控式交流调压电路， 矩阵式交频电路。基于面积等效原理，本质是相同的。 p w m 电流波： 电流型逆变电路进行p w m 控制，得到的就是p w m 电流波。 p w m 波形可等效的各种波形： 直流斩波电路：等效直流波形。 s p w m 波：等效正弦波形，还可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波 形等，其基本原理和s p w m 控制相同，也基于等效面积原理。 陈忠华：基于单片机的数字温度控制系统的设计与实现 2 3 2p w m 逆变电路及其控制方法 目前中小功率的逆变电路几乎都采用p w m 技术。逆变电路是p w m 控制技术最为 重要的应用场合。 p w m 逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前实用的几乎都是电压型。 ( 1 ) 计算法和调制法 1 、计算法 根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算p w m 波各脉冲宽度和间隔，据 此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需p w m 波形。 缺点：繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化 2 、调制法 输出波形作调制信号，进行调制得到期望的p w m 波；通常采用等腰三角波或锯齿 波作为载波；等腰三角波应用最多，其任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称： 与任一平缓变化的调制信号波相交，在交点控制器件通断，就得宽度正比于信号波幅值 的脉冲，符合p w m 的要求。 调制信号波为正弦波时，得到的就是s p w m 波；调制信号不是正弦波，而是其他 所需波形时，也能得到等效的p w m 波。 结合i g b t 单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明：设负载为阻感负载，工作 时v t 和v 2 通断互补，v 3 和通断也互补。如图2 4 所示。 控制规律g l l o 正半周，v l 通，v 2 断，v 3 和v 4 交替通断，负载电流比电压滞后，在电压正半周， 电流有一段为正，一段为负，负载电流为正区间，v l 和v 4 导通时，等于u d ，v 4 关断 时，负载电流通过v i 和v d 3 续流，u o f f i 0 ，负载电流为负区间，i o 为负，实际上从v b i 和v d 4 流过，仍有u o f u d ，v 4 断，v 3 通后，i o 从v 3 和v d l 续流，u o = 0 ，l l o 总可得到u d 和零两种电平。 l | o 负半周，让v 2 保持通，v l 保持断，v 3 和v 4 交替通断，u o 可得- u d 和零两种电平。 单极性p w m 控制方式( 单相桥逆变) ： 在l l f 和l l c 的交点时刻控制i g b t 的通断。l | f 正半周，v l 保持通，v 2 保持断，当u 挑 时使v 4 通，v 3 断，t b = u a ，当u r u c 时，给v i 和v 4 导通信号，给 v 2 和v 3 关断信号，如i o 0 ，v 1 和v 4 通，如i o u c 时，给v i 导通信号，给k 关断信号，u u n ；u 以，当训如时，绘v 4 导通信 号，给v 1 关断信号，u u n7 一u d 2 ；当给v l ( v 4 ) j j f l 导通信号时，可能是v l 4 ) 导通， 也可能是v d i ( v d 4 ) 导通。u u n 、u v n 和u w n 一的p w m 波形只有士i d 2 两种电平，u u v 波形可由u u n - u v n - 得出，当l 和6 通时，u l j v ：u d ，当3 和4 通时，u 萨一u d ，当1 和3 或4 和6 通时，u w ：0 。波形见图2 8 。 大连理工大学硕士学位论文 图2 7 三相桥式p w m 型逆变电路 f i g 2 7w a v oo f s i n g l e - m o n o p o l ep w m n 输出线电压p w m 波由士u d 和0 三种电平构成，负载相电压p w m 波由( 圭2 3 ) u d 、 ( 士1 3 ) u d 和0 共5 种电平组成。 防直通死区时间： 同一相的上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通造成短路，留一小段上下臂 都施加关断信号的死区时间。死区时间的长短主要由器件关断时间决定。死区时间会给 输出p w m 波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。 特定谐波消去法( s e l e c t e dh a r m o n i ce l i m i n a t i o np w m s h e p w m ) ： 计算法中一种较有代表性的方法，图3 9 。输出电压半周期内，器件通、断各3 次( 不 包括0 和尢) ，共6 个开关时刻可控为减少谐波并简化控制，要尽量使波形对称。 首先，为消除偶次谐波，使波形正负两半周期镜对称，即： “( 国f ) = - - u ( c o t + 石)( 2 5 ) 陈忠华：基于单片机的数字温度控制系统的设计与实现 “ d ” v d 一 心m o 铀轴毪m z w 执纠献埯静斜献钛一 h w 警毕p 同醐云 广 n 厂 n 门nn0nr 。 uuhul juu u uu 面 几门丌nf i 几几n n r _ 一 uuuu u uul jui 西 硼f 1 舢| l 。 1 。_ uv _ vul1 云 hn i 丌l ，h nn lf 警警。 图2 8 三相桥式p w m 逆交电路波形 f i g 2 8a d v e r s ec i r c u i to f t h r e e - p h a s ep w m 其次，为消除谐波中余弦项，使波形在半周期内前后1 4 周期以r d 2 为轴线对称。 u ( c o t ) = “( 万一国f )( 2 6 ) 大连理工大学硕士学位论文 o 一 图2 9 特定谐波消去法的输出p w m 波形 f i g 2 9p w mw a v eo f s p e c i a lo v f t 甜l ee x p t m c t i o n 四分之一周期对称波形，用傅里叶级数表示为： “( f ) = a 。s i nn o t( 2 7 ) n = l 。3 。5 州 式中，知为口。= 詈护巾咖i n 珂印t d a j t 图2 9 ，能独立控制a l 、a 2 和a 3 共3 个时刻。该波形的a n 为 ”砉【f 1 孚s i n 栉功砌+ 争s 缸删) 拗+ 晔s i n 删重( 一争s i n 删m 舭 2 u d ( 1 2 c 。s ，l 口l + 2 c o s 以球2 2 c o s 捍口3 ) 式中舻l ，3 5 确定a l 的值，再令两个不同的a n = o ，就可建三个方程，求得a i 、a 2 和a 3 。 消去两种特定频率的谐波： 在三相对称电路的线电压中，相电压所含的3 次谐波相互抵消，可考虑消去5 次和 7 次谐波，得如下联立方程： 口i2 三兰生( 1 2 c o s 口1 + 2 c 0 5 口2 2 c o s 口3 ) 口，； ；生( 1 2 c o s 5 口i + 2 c o s 5 口2 2 c o s 5 a 3 ) = 0 1 r r 7 口7 = 警( 1 2 c o s 7 口l + 2 c o s 7 a 2 - 2 c o s 7 a 3 ) = 0 陈忠华：基于单片机的数字温度控制系统的设计与实现 给定a 1 ，解方程可得a l 、a 2 和a 3 。a l 变，a 1 、a 2 和a 3 也相应改变。 一般，在输出电压半周期内器件通，断各k 次，考虑p w m 波四分之一周期对称，k 个开关时刻可控，除用一个控制基波幅值，可消去k 1 个频率的特定谐波，k 越大，开 关时刻的计算越复杂 除计算法和调制法外，还有跟踪控制方法等。 3 数字温度监控系统的总体设计 3 1 项目的总体目标 设计工业现场的温度控制系统，采用p t l 0 0 温度传感器，远距离传输方式，l e d 数 码管显示，键盘设定，自动切换变频、工频状态，具有超限报警、切断交频器保护，可 持续工作，高可靠性和较低的生产成本性能。 3 2 低成本设计思路 系统的总体设计思路是围绕着如何实现低功耗，低成本、高精度展开的。对于数字 化的测量系统，虽然数据采集、a d 转换的过程消耗的电流较大，但这一过程很快，一 般在毫秒级甚至微妙级就可以完成，这样可以适当的选择采样周期，在一个采样周期内， 迅速的测量压力，然后进入电流消耗较低的“体息”状态，那样就可以大幅度减少整个 系统的电流功耗；这就像一个人每天只工作不到半小时，而其他时间都在休息一样，当 然能量功耗要小多了，寿命自然就会提高很多了。 3 。3 方案总体设计 一般来说，温度控制系统至少由如图3 1 的几个模块组成。 户旷 麓 图3 1 温度控制系统 f i g 3 1s y s t e mo f t e m p e r a t u r ec o n t r o l 总体设计应该是全面考虑系统的总体目标，进行硬件初步选型，然后确定一个系统 大连理工大学硕士学位论文 的草案，同时考虑软硬件实现的可行性。总体方案经过反复推敲，确定了以美国德州公 司( t e x a si n s t r u m e n t ) 推出的5 1 系列单片机为温度智能控制系统的核心，并选择低功耗 和低成本的存储器、放大器、数码显示器等元件( 具体硬件选型详见3 1 ) ，总体方案如 图3 2 ： 图3 2 系统的基本组成 f i g 3 2b a s i cc o m p o s i t i o no fs y s t e m 系统的基本组成如图3 2 ，以单片机为核心，通过单片机来控制温度传感器和放大 器的供电，传感器感受的温度信号转换为电信号后，经过放大器放大转换为适合于a d 转换的电压范围，然后通过a d 转换器进行a d 转换，温度信号转换为数字量。然后单 片机根据存储于外部存储器( x 2 5 0 4 5 ) 活自身f l s h 中的校准数据计算出测得的温度， 计算出的温度值送显示器显示。在校准过程中建立起测量值与标准温度的对应关系，校 准数据保存于外部存储器中。 其中人工输入指的是操作人员可以通过键盘来输入校准值，输入的校准值被记忆在 e e p r o m 中。根据温度的范围，可以选择对外部操作，这一部分在d a 转换和功率放大器 电路里实现对外部的电机或者加热器进行操作。 同时为了实现远程操作，还给单片机加上机遇r s 2 3 2 4 8 5 的串行通讯功能，使单片 机里的数据能够远程传输到上位机的p c 里，实现远程对温度的监测。同时，计算机可以 对单片机进行操作，实现远程控制温度的操作。 3 4 线性插值技术 要求监测的温度达到1 5 0 0 c 。采用1 0 位a d 转换器精度不够，但是差的很少，而 选择1 2 位的a d 转换器精度又过高，而且考虑到成本的原因，本课题选择了1 0 位的 a d 转换器，但是采用了二次插值技术，就使精度达到了要求的目标。 陈忠华：基于单片机的数字温度控制系统的设计与实现 所谓的插值是在软件部分实现的，即把a d 转换器采集进来的数据每1 8 个作为一 组。去掉最大值，去